波輪變頻洗衣機(jī)用電流檢知電路標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

1 引言

近年來，為了適應(yīng)日益增長(zhǎng)的節(jié)能減排家電發(fā)展的市場(chǎng)發(fā)展需求，結(jié)合用戶的消費(fèi)等級(jí)，各洗衣機(jī)生產(chǎn)商需要開發(fā)具有階梯價(jià)格的變頻洗衣機(jī)來滿足不同的客戶群體。

目前市場(chǎng)上，變頻波輪洗衣機(jī)根據(jù)其電機(jī)主要分為兩類：三相感應(yīng)電機(jī)、永磁直流無刷電機(jī)；根據(jù)其轉(zhuǎn)速反饋方式分為：帶霍爾傳感器的和不帶霍爾傳感器的反饋方式；根據(jù)其控制方式又分為：V/f控制、矢量控制。以上控制方式都需要配以專用的電流檢知方式來滿足其需求。

以往，不同馬達(dá)的電流檢知的手法不一，每次都需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)電流檢知電路進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)，浪費(fèi)開發(fā)工時(shí)；同時(shí)，一旦采用專用的集成的電流檢知芯片，因受其使用量的限制，成本會(huì)很高。由此可見，針對(duì)變頻控制中的電流檢知電路，如果采用分立器件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，對(duì)于提升變頻洗衣機(jī)的開發(fā)效率和削減成本是有重要意義的。

2 電流檢知電路的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

以市場(chǎng)上現(xiàn)在販賣的某波輪變頻洗衣機(jī)為例，主要分為A系列、B系列、C系列（以某公司8kg容量的變頻洗衣機(jī)為例，構(gòu)成圖如圖1所示）。變頻馬達(dá)主要應(yīng)用在以下三個(gè)模塊上，起洗滌攪拌、脫水作用的主馬達(dá)；起抽水或者排水作用的泵馬達(dá)；烘干時(shí)起到循環(huán)送風(fēng)作用的風(fēng)扇馬達(dá)。電路上分別以霍爾傳感器、電流檢知電路形成馬達(dá)的閉環(huán)反饋電路，配合驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)變頻馬達(dá)的控制。

主馬達(dá)主要應(yīng)用了永磁同步無刷直流電機(jī)、三相感應(yīng)電機(jī)。泵馬達(dá)、烘干風(fēng)扇主要應(yīng)用了永磁同步無刷直流電機(jī)。以往，為了控制不同的馬達(dá)，電流檢知方面因檢知的手法不一，每次都需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)，浪費(fèi)開發(fā)工時(shí)；同時(shí)，因沿用專用的集成的電流檢知芯片，受其使用量的限制，成本會(huì)很高。下面將針對(duì)現(xiàn)行的電流檢知手法進(jìn)行說明，明確電流檢知電路標(biāo)準(zhǔn)化存在的課題，然后進(jìn)行電流檢知電路的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

2.1 現(xiàn)行馬達(dá)控制及電流檢知方法

2.1.1 永磁同步無刷直流電機(jī)

永磁同步無刷直流電機(jī)中，主要應(yīng)用了以下兩種方式進(jìn)行控制：

（1）帶有霍爾傳感器的電壓控制

如圖2所示，適用范圍為A系列，反饋構(gòu)成：3個(gè)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)數(shù)以及轉(zhuǎn)子位置檢知；1-shunt電流檢知電路實(shí)現(xiàn)布量、振動(dòng)、過電流檢知。電流檢知電路構(gòu)成為1-shunt電流檢知電路（如圖3）。當(dāng)前主IC可以根據(jù)其反饋檢知各處電流的綜合值，但無法實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)數(shù)以及馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置的檢知。

（2）無霍爾傳感器矢量控制

如圖4所示，適用范圍為A系列、B系列泵馬達(dá)、風(fēng)扇馬達(dá)。反饋構(gòu)成為3-shunt電流檢知電路。通過三相電流檢知實(shí)現(xiàn)馬達(dá)回轉(zhuǎn)數(shù)以及轉(zhuǎn)子位置檢知，同時(shí)實(shí)現(xiàn)布量、振動(dòng)和過電流檢知。電流檢知電路構(gòu)成為3-shunt電流檢知電路，3相電流檢知其中的一相檢知電路如圖5所示。

同時(shí)，對(duì)三相電流Iu、Iv、Iw實(shí)時(shí)檢知并進(jìn)行計(jì)算，不僅可以取得回轉(zhuǎn)數(shù)以及馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置信息，而且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)過電流、欠相、堵轉(zhuǎn)等異?，F(xiàn)象判定。

2.1.2 三相感應(yīng)電機(jī)

（1）帶有霍爾傳感器的電壓控制

如圖6所示，適用范圍為C系列，反饋構(gòu)成為1個(gè)霍爾傳感器用于轉(zhuǎn)數(shù)檢知，3-shunt電流檢知電路實(shí)現(xiàn)布量、振動(dòng)、過電流檢知。電流檢知電路構(gòu)成為3-shunt電流檢知電路，電路構(gòu)成同圖5。通過3相電流檢知電路實(shí)現(xiàn)每相電流的實(shí)時(shí)檢知，然后通過其中最大相的電流值實(shí)現(xiàn)布量、振動(dòng)、過電流等檢知。

綜上所述，因每次制品的電流檢知手法不同，導(dǎo)致所需電流檢知電路構(gòu)成、精度各不相同，這就增加了新制品在開發(fā)時(shí)的復(fù)雜度及開發(fā)工時(shí)。因此，為了提高開發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)電流檢知電路的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)顯得十分重要。

2.2 電流檢知電路的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

為了統(tǒng)一以上三個(gè)電路，存在如何選擇shunt電阻的個(gè)數(shù)以及如何實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制等課題。1個(gè)shunt電阻構(gòu)成電流檢知電路可能成本很低，但實(shí)現(xiàn)無霍爾傳感器的矢量控制很困難。3個(gè)shunt電阻構(gòu)成電流檢知電路，可以實(shí)現(xiàn)無霍爾傳感器的矢量控制，下文將論述對(duì)應(yīng)的電流檢知設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化3-shunt電流檢知電路設(shè)計(jì)

反饋構(gòu)成為A、B、C系列主馬達(dá)、泵馬達(dá)、風(fēng)扇馬達(dá)。因?yàn)殡娏鳈z知電路和馬達(dá)控制的方式相關(guān)，本次為將來開展無霍爾傳感器的矢量控制，采用分立器件利用3個(gè)shunt電阻構(gòu)成3-shunt電流檢知電路。

因?yàn)楸民R達(dá)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于3-shunt電流檢知的矢量控制，因此控制方式上采用3-shunt沒有問題，課題僅僅是在分立器件的使用上。而對(duì)于主馬達(dá)，為了節(jié)省開發(fā)工時(shí)，采用3個(gè)shunt電阻中的一個(gè)shunt電阻進(jìn)行采樣實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的控制。

由標(biāo)準(zhǔn)化的電流檢知電路構(gòu)成的變頻控制反饋系統(tǒng)如圖7所示。電流檢知電路構(gòu)成為3-shunt電流檢知電路。3-shunt電流檢知電路中的其中一相電流檢知電路構(gòu)成如圖8所示。

（1）檢知范圍和精度

因制品容量不同，導(dǎo)致馬達(dá)負(fù)荷特性不同，因此其電流檢知的范圍、精度亦需分別設(shè)置，通過調(diào)整以下R1、R2、RS的電阻值，即可滿足所需電流檢知電路所檢知的范圍以及精度。

圖1 某公司各變頻馬達(dá)及電流檢知電路構(gòu)成

圖2 電壓控制（1-shunt）

圖3 1-shunt電流檢知電路

圖4 矢量控制（3-shunt）

圖5 3-shunt電流檢知回路圖

圖6 電壓控制（3-shunt）

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化的電流檢知電路的變頻控制反饋系統(tǒng)

圖8 標(biāo)準(zhǔn)化3-shunt電流檢知電路圖

同時(shí)，為了防止馬達(dá)或者功率器件發(fā)生過電流或者短路，電路中增加了比較器電路，對(duì)電路起到保護(hù)作用。標(biāo)準(zhǔn)化的電流檢知電路和現(xiàn)行的電流檢知電路的檢知范圍如圖9所示。由圖9可知，標(biāo)準(zhǔn)化電流檢知電路可以滿足各種電機(jī)負(fù)荷所需的檢知范圍及精度要求。

（2）制品的影響

下文將對(duì)因電流檢知電路變更對(duì)制品性能的影響進(jìn)行論述。

馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方面，根據(jù)霍爾傳感器的信號(hào)，對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)子的位置檢知，實(shí)現(xiàn)換向控制，電流檢知電路對(duì)其沒有影響。但是，針對(duì)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的反饋，如異常振動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、過電流等異常狀態(tài)檢知時(shí)，需要通過電流檢知電路反饋的電流來實(shí)現(xiàn)。

本次通過對(duì)制品脫水時(shí)因制品不平衡發(fā)生的異常振動(dòng)進(jìn)行論述。采用1-shunt電流檢知電路時(shí)，電流檢知電路的輸入輸出關(guān)系如圖10（a）所示。

在1-shunt電流檢知電路中，主IC檢知到的是與輸入電流IIN-綜合的峰值存在對(duì)應(yīng)的電壓值VOUT，關(guān)系如式（4）所示。

由式（4）可知，主IC相當(dāng)于對(duì)電流的峰值進(jìn)行檢知，當(dāng)制品因不平衡發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)，電流值發(fā)生變化，因此可以通過電流的變化準(zhǔn)確的判定出制品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否發(fā)生異常振動(dòng)，避免制品在高轉(zhuǎn)矩大電流的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)。采用3-shunt電流檢知電路時(shí)，電流檢知電路的輸入與輸出關(guān)系如圖10（b）所示，為了獲得電流的實(shí)時(shí)值，電路在主IC的入口處去掉了平滑電容，使主IC在檢知電壓時(shí)，避免了功率開關(guān)器件瞬間的導(dǎo)通關(guān)斷帶來的干擾，通過霍爾周期計(jì)算電流的有效值，關(guān)系如式（5）所示。

由（5）式可知，主IC相當(dāng)于對(duì)電流的有效值進(jìn)行檢知，當(dāng)制品發(fā)生不平衡振動(dòng)和安定啟動(dòng)時(shí)，電流的變化很小，異常振動(dòng)檢知精度不佳。所以，3-shunt并不適于制品異常振動(dòng)的判定，而通過檢測(cè)回轉(zhuǎn)傳感器的回轉(zhuǎn)數(shù)隨馬達(dá)轉(zhuǎn)矩變調(diào)度的變化，可實(shí)現(xiàn)制品異常振動(dòng)的檢知，如圖11所示。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化3-shunt電流檢知電路部品分立化設(shè)計(jì)

以往用于變頻馬達(dá)反饋的電流檢知電路均是集成化專用化的，不僅成本高，而且由于對(duì)廠家過分依賴，部品的調(diào)達(dá)也存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

本次電流檢知電路采用分立器件構(gòu)成，解決了對(duì)單一集成器件廠家的依賴，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的通用化貨源供應(yīng)，削減了設(shè)計(jì)成本，就構(gòu)成某公司C系列產(chǎn)品相同電路的集成器件與分立器件相比，分立器件可有效削減成本25%。

應(yīng)用分立器件構(gòu)成電流檢知電路，由于運(yùn)放的輸入輸出連接線間的電流很小，所以連接線上的一點(diǎn)點(diǎn)微弱阻抗，都將使電流檢知電路的精度受到影響，也很容易受到干擾。因此，線路板在布線設(shè)計(jì)時(shí)，為了讓電流檢知電路的精準(zhǔn)度更高，工作狀態(tài)更穩(wěn)定，布線要盡可能的短，在雙面PCB的情況下，盡可能將信號(hào)周圍配置地線，以吸收高頻噪音。同時(shí)還要注意信號(hào)線的長(zhǎng)度與寬度，盡量減少各走線之間的寄生電容。另外，運(yùn)放端口處的旁路電容，要盡可能的接近器件，最優(yōu)距離是3～5mm。

3 總結(jié)

以往，由于變頻馬達(dá)的電流檢知手法不一、構(gòu)成不一，并且采用了專用的集成電路，設(shè)計(jì)成本較高，并且根據(jù)制品的式樣不同，每次新品開發(fā)需要花費(fèi)大量的工時(shí)。

本次利用標(biāo)準(zhǔn)化、分立化的3-shunt電流檢知電路，實(shí)現(xiàn)了低成本的設(shè)計(jì)，并且檢知手法統(tǒng)一后，應(yīng)用分立器件可以輕松在其他機(jī)種實(shí)現(xiàn)橫向展開, 將高效率的實(shí)現(xiàn)變頻洗衣機(jī)的開發(fā)，以及低成本的制造，加快實(shí)現(xiàn)變頻家電的普及，為社會(huì)節(jié)省更多的能源。

另外，采用3-shunt電流檢知電路統(tǒng)一了泵馬達(dá)和烘干用的循環(huán)風(fēng)扇馬達(dá)的無傳感器矢量變頻控制，為主馬達(dá)無霍爾傳感器的矢量控制奠定了基礎(chǔ)。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)化電流檢知電路的檢知范圍及精度

圖10電流檢知電路中輸入電流輸出電壓關(guān)系

圖11 制品安定化啟動(dòng)和起動(dòng)過程發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)對(duì)比